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Ventil für gasförmige oder flüssige Medien
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Ventil für gasförmige
oder flüssige Medien nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Besonders bei Ventilen, bei denen das Hubende durch das Aufschlagen
des Ventilgliedes auf den Ventilsitz bestimmt wird, besteht die Gefahr, daß aufgrund
der Elastizität der afeinander,prallenden Materialien ein sogenanntes Prellen entsteht.
Hiermit ist gemeint, daß das Ventilglied nach dem Aufschlag nicht etwa fest auf
dem Sitz verharrt, sondern durch innere Schwingungen leicht abhebt. Dies verhindert
ein scharfes Schließende und damit möglicherweise eine präzise Zumessung. Besonders
bei Präzisionszumeßanlagen, wie beispielsweise Einspritzanlagen, kann es zu erheblichen
Nachteilen beispielsweise wie Nachzündungen oder Fehlzündungen führen.
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Da zudem materialelastizitätsbedingte Schwingungen keinen Linearverlauf
aufweisen, sondern konstruktionsabhängig
meist unvorhersehbar in
bestimmten Frequenzbereizhen auftreten, kann ein derartiges Prellen auch zu ungewunschten
Mengenänderungen bei der IZaftstoffzumessung führen und damit zu einem unruhigen
Lauf der Brennkraftmaschine.
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Bei einem bekannten Ventil der eingangs genannten Art, das als nach
außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist (siehe DE-A1-31 07 160
) wird die Prellneigung der Ventilnadel vermindert, indem ein mit der Ventilnadel
verbundener Ring aus magnetisierbarem Material mit einem diesem zugeordneten gehäusefesten
Permanentmagnet ring zusammenwirkt. Die beiden Ringe sind sich dann am nächsten,
wenn das Ventil geschlossen ist. Der verbleibende, stets erforderliche Restspalt
zwischen den Ringen bedingt einen verhältnismässig starken Magneten, um die gewünschten
Haltekräfte auf zubringen Dieser Restspalt ist erforderlich, damit die Ventilnadel
ungehindert in Schließposition auf dem Ventilsitz auf liegen kann. Da sich zudem
die Ventilnadel mit der Zeit etwas in den Sitz einschlägt, muß dieser Spalt eine
entsprechende Toleranzreserve auf weisen. Aufgrund der vom Motorhersteller festgelegten
geringen Abmessungen einer derartigen Kraftstoffeinspritzdüse sind auch nur relativ
kleine Permanentmagnetringe im Gehäuse der KraftstoffeinspritzdUse unterbringbar,
so daß deren Wirkung aufgrund des verhaltnismässig großen verbleibenden Spaltes
begrenzt ist Hinzu kommt, daß die magnetische Kraft progressiv mit zunehmendem Abstand
abnimmt, so daß schon bei einem geringen öffnungshub der Ventil nadel kaum mehr
eine magnetische Kraft besteht.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße
Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß der magnetische Fluß beim Berühren der Anschlagflächen nahezu ungeschwächt
diese durchquert und dadurch eine maximale Anziehungskraft zwischen Ventilglied
und Ventilgehäuse entwickelt. Da ein verbleibender Spalt zwischen den Anschlagflächen
von Ventilglied und Gehäuse weder gewünscht noch erforderlich ist, erzeugt bereits
ein verhältnismässig schwacher Magnet eine Kraft, mit der ein Prellen sicher vermeidbar
ist. Wenn beispielsweise als Anschlagflächen der Ventilsitz am Gehäuse und die dem
Ventilsitz zugeordnete Dichtfläche an dem Ventilglied dienen, so bewirkt das- Einschlagen
des Ventilgliedes-in den Ventilsitz lediglich eine Vergrößerung der Dichtfläche
und damit ein Abnehmen der magnetischen Verluste.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
aufgrund der hohen Haltekräfte beim Aufsteuern des Ventiles eine höhere Aufsteuerkraft
aufgebracht werden muß, bevor das Ventilglied vom Sitz abhebt und wodurch ein scharfer
Aufsteuerbeginn erzielbar ist. Gerade wenn ein Ventil in Schließstellung ist, ist
die Kraft der Schließfeder'aufgrund des ausgefahrenen Federweges besonders klein,
so daß auch das Ventilglied mit geringerer Kraft verschiebbar ist als in geöffnetem
Zustand des Ventils. Insofern dient hier der Permanentmagnet auch als zusätzliche
Schließkraft. Da diese magnetische Schließkraft nach Beginn des Öffnungshubes progressiv
abnimmt, kann endgültig dadurch gegenüber den konventionellen Systemen Arbeit gewonnen
werden. Das "Abreißen" des Ventilgliedes von seinem Sitz erfordert eine höhere am
Ventilglied in öffnungsrichtung wirkende Kraft,
-die sich jedoch
nach Abheben des Ventilgliedes vom Sitz sehr schnell vermindert. Entsprechend kann
durch die Mitwirkung des Permanentmagneten auch eine schwächere Schließfeder verwendet
werden bei gleicher Schließkraft des Ventils.
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Diese "AbreiBkräfte" können auch in umgekehrter Richtung wirkend von
Vorteil sein, wenn beispielsweise als Anschlagsflächen die öffnungshubbegrenzende
Fläche am Gehäuse und die dieser Fläche zugeordnete Fläche am Ventilglied dienen,
Hierdurch kann wiederum entweder ein sehr exaktes Öffnungsende erzielt werden, wenn
der Anschlag dem Ende des öffnungshubs dient mit entsprechend exakter Zumessungsbeendigungt
oder es kann - wie oben beschrieben - einem scharfen Zusteuerbeginn zugute kommen,
wenn - statt wie oben beschrieben, die Anschlagsflächen in den Ventilsitz zu legen
- diese in einen entsprechenden öffnungshub begrenzenden Anschlag, beispielsweise
eines als Schieber ausgebildeten Ventilgliedes, gelegt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Permanentmagnet
im Gehäuse um das Ventilglied quer zur Ventilgliedachse angeordnet. Der Permanentmagnet
kann hierfür in vielfältigster Weise gestaltet sein, wobei der Ring die bevorzugte
Form ist. Der Permanentmagnet unterbricht in Ringform das aus magnetischem Material
bestehende und das Ventilglied führende Gehäuse, wobei im Bereich des Permanentmagneten
das Ventilglied eine Einengung (Ringnut) aufweist, wodurch die Magnetlinien erst
im Ventilgehäuse radial zum Ventilglied übertreten, nämlich im Bereich der Führung,
um dann vom Ventilglied aus über die Ventilsitz- bzw, die Anschlagsflächen wieder
zum Ventilgehäuse und von dort zum Permanentmagneten zu gelangen.
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Bei einer Variante dieser Ausgestaltung ist in axialer Richtung der
Permanentmagnet durch nichtferromagnetische Ringscheiben zum Gehäuse hin isoliert,
so daß die magnetischen Linien gezwungen sind, bei-ihrem Austritt bzw.
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Eintritt radial zum Permanentmagnetring zu verlaufen, wofür.natürlich
das Ventilglied dann im Bereich des Permanentmangnetringes keine Ausnehmung haben
darf, sondern diese so angeordnet sein muß, daß die Magnetlinien je nach Stellung
des Ventilgliedes entweder über den Ventilsitz oder den Anschlag verlaufen. Bei
dieser beschriebenen Ausgestaltung können an einem Ventil beide Endlagen des Ventilgliedes
magnetisch kontrolliert werden.
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Permanentmagnet
im Ventilglied angeordnet sein, so daß naturgemäß durch die Nord-Süd-Orientierung
in Ventilachsenrichtung der Magnetfluß über den Ventilsitz bzw.
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den Anschlag zwangsgeleitet ist. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie den Ansprüchen entnehmbar.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist bei Einspritzventilen
und/oder Magnetventilen, wie weiter unten beschrieben.
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Zeichnung Fünf Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung des Permanentmagneten
im Gehäuse,
Fig. .2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion dieses
ersten Ausführungsbeispiels' Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel mit Magnetfluß
alternativ durch Ventilsitz oder Ventilgliedanschlagg Fig. 4 ein entsprechendes
Erläuterungsdiagrammf Fig. 5 das dritte Ausführungsbeispiel mit Permanentmagnet
im Ventilglied und Magnetfluß durch den Ventilsitz, Fig. 6 das vierte Ausführungsbeispiel
mit dem Permanentmagnet im Ventilglied und dem magnetischen Fluß durch den Anschlag
des Ventilgliedes 3 Fig. 7 bis 9 ErlAuterungsdiagramme, Fig. lo eine praktische
Anwendung in einem Kraftstoffeinspritzventil des in Fig. 5 dargestellten dritten
Ausführungsbeispiels' Fig. 11 das fünfte Ausführungsbeispiel mit Permanentmagnetfluß
durch das als Anker eines Elektromagneten dienenden Ventilgliedes und Fig 12 ein
entsprechendes Er läuterungsdiagramm ¢ Beschreibung der Ausführungsbeispiele In
den Fig. 1, 3, 5 und 6 sind jeweils die den Mediendurchgang steuernden Teile von
Ventilen dargestellt, mit denen flüssige oder gasförmige Medien steuerbar sind.
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In einem Ventilkörper 1 ist axial verschiebbar ein Ventilglied 2 angeordnet,
das über eine Achse 3 durch nichtdargest-ellte Mittel angetrieben wird. Das Ventilglied
2 steuert mit dem Ventilkörper 1 einen Durchgang 4 für das Medium, in dem ein konisch
dichtender Endabschnitt 5 des Ventilgliedes 2 mit einem gehäusefesten Ventilsitz
6 zusammenwirkt. Während Ventildichtfläche 5 und Ventilsitz 6 die eine Endlage,
nämlich die Schließlage des Ventilglieds 2 bestimmen, wird die andere Endlage, nämlich
die für maximalen Offnungsquerschnitt durch einen Anschlag 7 bestimmt, der mit einer
Schulter 8 des Ventilgliedes 2 zusammenwirkt. Diese Schulter 8 bildet sich durch.
die unterschiedlichen
Durchmesser des Ventilgliedes 2 und der
Achse 3. Der Anschlag 7 ist an einer Verschlußplatte 9 vorgesehen, mit der das Gehäuse
1 zum Antrieb hin abgedeckt ist. Die Darstellung ist stark vereinfacht und lediglich
grundsätzlicher Natur. Für die praktische Anwendung der Erfindung kann selbstverständlich
die Konstruktion völlig anders gestaltet sein.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß ein Magnetkreis eines Permanentmagenten
durch Gehäuse 1 und Ventilglied 2 verläuft. Die magnetischen Kraftlinien (der magnetische
Fluß) sollen hierbei durch den Ventilsitz 6 oder den Anschlag 7 verlaufen, mindestens
solange diese mit dem Ventilglied 2 in Berührung stehen. Hierdurch ergibt sich für
diese jeweilige Lage eine Haltekraft, die der am Ventilglied 2 von der Antriebsseite
her zugeführten Kraft über'agert ist. Sobald dann bei der Bewegung des Ventilteils
2 die Anschlagsflächen 5, 6 und 7, 8 voneinander getrennt werden, nimmt diese Haltekraft
sehr schnel-l ab.
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Umgekehrt erreicht diese Haltekraft ihr Optimum, wenn sich die Anschlagsflächen
nach einem sich Aufeinanderzukommen berühren. Hierdurch wird verhindert, daß beim
Aufprallen äuf.den Ventilsitz 6 das Ventilglied 2 noch einige Prellbewegungen ausführt,
deren Amplitude durchaus bei etwa o,ol mm liegen kann und was zu Nachströmungen
des Mediums führen könnte und ein präzises Steuerende unmöglich machen könnte.
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Für die weitere Beschreibung wird davon ausgegangen, daß am Ventilglied
2 in Schließrichtung eine Feder angreift und in Offnungsrichtung ein Elektromagnet.
Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt, sondern der Antrieb kann durch
sonstige Mittel erfolgen, die lediglich eine Elastizität bei der Kraftübertragung
aufweisen müssen,
wie beispielsweise ein Elektromagnet und eine
Feder.
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Nicht sinnvoll wäre die Anwendung-der Erfindung beispielsweise bei
einem Zwangsantrieb über Zahnrad oder Schneckengetriebe. Wie oben beschrieben, bewirkt
der Permanentmagnet in axialer Richtung zwischen dem Gehäuse 1 und dem Ventilglied
2 in mindestens einer der Endlagen des Ventilgliedes 2 eine Anziehungs- und Haltekraft.
Wenn sich das Ventilglied 2 in Schließrichtung bewegt, beispielsweise durch eine
Schließfeder angetrieben, und trifft nach Beendigung des Schließhubes mit seiner
Dichtfläche 5 auf den Ventilsitz 6, so wird das Ventilglied 2aufgrund der Permanentmagnetkraft
fest auf den Ventilsitz 6 gespannt.
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Da die Magnetkraft in geschlossenem Zustand ihren Maximale wert erreicht,
wird ein Wiederabheben des Ventilgliedes 2 vom Sitz 6 verhindertO Die Permanentmagnetkraft
unterstützt damit die Schließfederkraft - die Kräfte überlagern sich -, die in Schließstellung
des Ventils 2 am geringsten ist, weil die Schließfeder die ausgefahrene Stellung
ihres Arbeitshubes einnimmt. Wenn nun der Elektromagnet erregt wird und am Ventilglied
2 in Offnungsrichtung angreift, muß er einerseits die Kraft der Schließfeder verwinden,
zum anderen aber auch die gerade in dieser Schließstellung gröte Rückhaltekraft
des Permanentmagneten. Erst wenn diese beiden in Schließrichtung wirkenden Kräfte
überwunden sind, hebt die Dichtfläche 5 vom Ventilsitz 6 ab, wonach dann die Permanentmagnetkraft
schnell mit dem Hub abnimmt. Bereits nach geringem Hub muß dann die Elektromagnetkraft
außer Reibungswiderständen nur noch die Schließfederkraft überwinden. Hier durch
ist es möglich, eine schlagartige Aufsteuerung zu erhalten in Art eines Aufreißens"
des Durchgangs 4.
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In umgekehrter Richtung ist die Wirkung ähnlich, wenn die Permanentmagnetkraft
bei aufgesteuertem Ventil, also Anliegen der Schulter 8 am Anschlag 7, wirksam ist.
Hier wirkt die Magnetkraft der Schließfederkraft entgegen und
in
Richtung Elektromagnetkraft. Wenn demnach der Elektromagnet bei geöffnetem Ventil
ausgeschaltet wird, muß die Schließfeder die Permanentmagnetkraft-überwinden, um
das Ventilglied 2 in die Schließlage zu verschieben. Aufgrund der sich bei berührenden
Flächen von Schulter 8 und Anschlag 7 hohen Magnetkraft muß diese erst überwunden
werden, bevor der Schließhub des Ventilgliedes 2 beginnt.
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Sobald dann sich die Anschlagflächen voneinander gelöst haben, nimmt
die Magnetkraft rasch ab, so daß nach geringem Hub effektiv nur noch die Schließfederkraft
wirksam ist. Dieses "Abreißen" des Ventilgliedes 2 von der Verschlußplatte 9 bewirkt
aufgrund der abnehmenden Magnetkraft eine höhere Beschleunigung der Schließbewegung
als bei Ventilen ohne Permanentmagnetwirkung.
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Natürlich kann erfindungsgemäß das Ventilglied 2 auch in umgekehrter
Richtung angesteuert werden, daß nämlich die Feder in öffnungsrichtung und der Elektromagnet
in Schließrichtung wirkt. In einem solchen Fall gelten die obigen Ausführungen entsprechend.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der
Permanentmagnet mit lo bezeichnet und im Ventilgehäuse 1 angeordnet. Die zylindrische
Wandung des Ventilgehäuses 1 ist an einer Stelle unterbrochen und durch den Permanentmagneten
lo ersetzt. Gemäß der Polanordnung gehen die Magnetlinien. in Achsrichtung des Ventiles
von der Fläche 11 des Permanentmagneten aus und münden in den Permanentmagneten
entsprechend über die abgewandte Fläche 12 des Permanentmagneten. Der Magnetkreis
Q verläuft dabei vom Gehäuse 1 radial über den radialen Führungsspalt zwischen Gehäuse
1 und Ventilglied 2 in das Ventilglied 2 und von dort über den Ventilsitz 6 und
das Gehäuse 1 wieder zurück zum Permanentmagneten. Damit der Magnetfluß nicht direkt
von
dem Permanentmagneten lo zum Ventilglied 2 strömt, ist im Ventilglied 2 im Bereich
des Permanentmagneten lo eine Ringnut 13 vorgesehen.
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In Fig. 2 ist zur Erläuterung der Funktion des in Fig. 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiels ein Kraft-Hub-Diagramm dargestellt, in dem über der
Abszisse s der Weg (Hub) des Ventilgliedes 2 und über der Ordinate F die am Ventilglied
2 angreifende Kraft aufgetragen ist. I zeigt den Verlauf der Kraft-Hub-Kennlinie
des in Fig. 1 nicht dargestellten Elektrosagneten für den Antrieb des Ventilgliedes
2. II ist die Kraft=Bub-Kennlinie der ebenfalls am Ventilglied 2 angreifenden und
nichtdargestellten Schließfeder. III zeigt den Kraft-Hub-Verlauf der Schließfeder
und des Permanentmagneten in der Addition der Kräfte.
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Wie dem Diagramm entnehmbar ist, sind die Kräfte von Elektromagnet
und Schließfeder gemäß der Kennlinie I und II bei geschlossenem Ventil am, geringsten
und bei geöffnetem Ventil am größten. Beim Hub sl ist das Ventil voll geöffnet,
bei s2 geschlossen. Wie der Kennlinie III entnehmbar ist, ist bei geschlossenem
Ventil die in Schließrichtung wirkende Kraft bei abgeschaltetem Elektromagneten
(I) mit F2 wesentlich größer, als wenn das Ventilglied 2 nach Einschalten des Elektromagneten
einen gewissen Hub zu zu s3 zurückgelegt hat. Die Schließ- oder Rückhaltekraft hat
dann nur noch die Größe F3. Erst danach wird dann die permanentmagnetische Kraft
so gering, daß im wesentlichen durch die Elektromagnetkraft nur noch die Schließfederkraft
überwunden werden muß. Die Differenzkraft a F bei geschlossenem Zustand des Ventils
zwischen in Schließrichtung wirkender Kraft III und in öffnungsrichtung wirkender
Kraft I ist bei geschlossenem Ventil am kleinsten. Am größten hingegen ist diese
Differenzkraft
dz, nach Zurücklegen des öffnungshubes von s2 bis
so daß hier das Ventilglied 2 die größte Beschleunigung erhält. Im weiteren Verlauf
des öffnungshubes nimmt dann diese in öffnungsrichtung wirkende Differenzkraft allmählich
bis auf & F1 ab, bleibt aber stets noch größer als A F2, die bei geschlossenem
Ventil wirkt. Endgültig ergibt sich hierdurch ein größerer Kraftüberschuß beim öffnen
als bei Ventilen ohne Permanentmagnet, da der Einfluß der.Zeltkonstante des Antriebsmagneten
verringert wird. Aufgrund der bei geschlossenem Ventil geringeren in öffnungsrichtung
wirkenden Kraftdifferenz 4F2 wird das Ventilglied 2 nach Einschalten des Elektromagneten
länger auf dem Ventilsitz 6 festgehalten, so daß sich das Magnetfeld des Antriebsmagneten
in stärkerem Maße aufbauen kann, bevor das Ventilglied 2 mit seinem Offnungshub
beginnt. Aufgrund dieses magnetischen Klebens wird das dynamische Verhalten des
Ventilgieds 2 verbessert. Angestrebt ist dabei die öffnungsdauer des Ventilgliedes
zur Zurücklegung des Weges s2 bis sl so kurz wie möglich zu machen. Hierdurch ist
ein Gewinn an Beschleunigungsarbeit zu Offnungshubbeginn erzielbar, wie weiter unten
zu Fig. 9 beschrieben.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel werden
bei den dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Teilen die gleichen Bezugszahlen
verwendet.
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Bei nichtidentischen Teilen sind diese Bezugszahlen mit einem Index
versehen. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet lo
' im zylindrischen Abschnitt'des Gehäuses 1' angeordnet. Wie beim ersten Ausführunqsbeispiel
ist auch hier der Permanentmagnet als gehäuseabschnittersetzender Ring ausgebildet.
In axialer Richtung ist auf bzw. unter diesem Permanentmagnetring io
jeweils'ein
unmagnetischer Ring 15 und 16 vorgesehen, durch den der Permanentmagnet lo' in axialer
Richtung zur Verschlußplatte 9 bzw. zum Gehäuse 1' magnetisch isoliert ist. Der
Permanentmagnet lo' ist hier so gepolt, daß seine Kraftlinien radial aus- bzw. eintreten,
weshalb er an einer Stelle im Gehäuse l angeordnet ist, an der er zur Führung des
Ventilgliedes 2 dient, diesem also unmittelbar benachbart ist, so daß die Kraftlinien
vom Permanentmagnet über einen möglichst geringen Luftspalt radial in das Ventilglied
2 gelangen und von dort über den Ventilsitz 6 in das Gehäuse l.
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Da der axiale Weg im Gehäuse 1' zum Permanentmagneten lo' durch den
Ring 16 gesperrt ist, wird der magnetische Kreis Q über eine Gehäusebuchse 17 wieder
geschlossen, die über die Ringe 9, 1o', 15, 16 geschoben ist und mindestens teilweise
noch das Gehäuse 1' überdeckt. Hierdurch können die Kraftlinien wieder radial über
diesen Ring 17 in den Permanentmagneten lo' münden.
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In Fig. 3 ist das Ventilglied 2 in der Mitte aufgeteilt in'zwei Stellungen
dargestellt, nämlich mit der rechten Hälfte in der Schließstellung, mit der linken
Hälfte in der öffnungsstellung. Für die Schließstellung gelten statisch und dynamisch
die für das erste Beispiel (Fig. 1 und 2) gemachten Ausführungen. Für die Offnungsstellung
hingegen besteht ein magnetischer Kreis, dessen Kraft linien ebenfalls radial vom
Permanentmagneten 10' austreten und dann über das Ventilglied 2 und die Verschlußplatte
9 sowie den Ring 17 wieder zurück in den Permanentmagneten gelangen. Hierbei umlaufen
die Kraftlinien den unmagnetischen Ring 15 und durchqueren die Anschlagflächen
des
Anschlags 7 und der Schulter 8. Solange sich diese Flächen berühren, besteht ein
minimaler Durchgangswiderstand für die Kraftlinien und eine maximale Anziehungskraft
zwischen Ventilglied und Verschlußplatte 9 entsprechend jener zwischen Dichtfläche
5 und Ventilsitz 6, wenn das Ventilglied 2 in Schließstellung ist. In Aufsteuerlage
des Ventilgliedes 2 wirkt die'Magnetkraft der Schließfederkraft entgegen und in
Richtung der Kraft des Elektromagneten. Aufgrund der sich nach Berühren der Anschlagflächen
stark zugenommenen Magnetkraft wird auch hier ein Prellen vermieden.
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In Fig. 4 ist ein Funktionsdiagramm über den Krafthubverlauf dieses
zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt, das in seinem Aufbau grundsätzlich dem
aus Fig. 2 entspricht. Im Unterschied dazu verläuft jedoch die resultierende Kraft-Hub-Kennlinie
III dieses zweiten Ausführungsbeispiels s-förmig. Hierbei dient die Federkennlinie
II als Wendetangente. Der Wendepunkt ist beim Wegpunkt s4. Der rechte Teil der s-Kurve
ist zu Fig. 2 bereits beschrieben. Der linke Teil beruht auf der Anziehungskraft
zwischen den Anschlagflächen 7 und 8 von Verschlußplatte 9 und Ventilglied 2. Da
die Kraft des Permanentmagneten an dieser Stelle der Kraft der Schließfeder entgegenwirkt,
nimmt die resultierende Kraft III ab, je mehr sich die Schulter 8 der Anschlagfläche
7 nähert. Wenn dann der öffnungshub bei sl beendet ist, hat die resultierende Kraft
die Größe F4 erreicht. Bei F5 hat die resultierende Kurve ihren Hochpunkt, d. h.
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die Permanentmagnetkraft ist im Verhältnis zur Federkraft noch sehr
schwach. Die Differenzkraft A F4 hat bei Hubende
am Anschlag,
also bei sl, eine maXimale Größe. Da hier die Kraft des Elektromagneten durch die
Kraft des Permanentmagneten in der Wirkrichtung unterstützt wird.
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Auch hier wird durch die Verringerung des Einflusses der Zeitkonstante
des Antriebsmagneten gegenüber üblichen Ventilen ein Kraftüberschuß beim öffnen
und im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel auch beim Schließen erzielt.
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In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
der Permanentmagnet im Ventilglied 2' vorgesehen ist. Der Permanentmagnet lo" ist
innerhalb des über die Ringnuten 13 eingeschnürten Abschnittes angeordnet, um zu
erzielen, daß die Magnetkraftlinien in axialer Richtung von dem Magneten Mio " ausgehen
und wieder in ihn münden. Der Magnetkreis Q geht somit von dem Permanentmagneten
lo " aus, überquert nach Durchlaufen-eines Abschnittes des Ventilgliedes 2 deren
Dichtf lache 5, sowie den Ventilsitz 6, um dann im Ventilgehäuse 1" in Richtung
Verschlußplatte 9 zu strömen, um dann von diesem zylindrischen Gehäuseabschnitt
radial über den Führungsspalt zum Ventilglied 2' zurück und zum Permanentmagneten
lo zu gelangen . Grundsätzlich arbeitet dieses Ausführungsbeispiel wie das in Fig.
1 und 2 beschriebene erste Ausführungsbeispiel, so daß sich eine nähere Funktionsbeschreibung
erübrigt.
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Für das in Fig. 6 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel gilt bezüglich
Funktion und Wirkung grundsätzlich das gleiche, was für die linke Hälfte des zweiten
in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bereits ausgeführt wurde. Konstruktiv
ist im Unterschied zu dem in Fig. 5
dargestellten dritten Ausführungsbeispiel
zwar auch der Permanentmagnet lo'"t im Ventilglied 21' angeordnet, jedoch mit dem
Unterschied, daß er möglichst dicht der Verschlußplatte 9 zugedrückt ist, so daß
lediglich noch ein verhältnismässig schmaler Streifen 18 aus magnetischem Material
am Ventilglied 2' bis zur Schulter 8 verbleibt. Der Durchmesser des Ventilgliedes
2" ist im Bereich des Permanentmagenten lo'1, sowie dieses verbleibenden Streifens
18 verjüngt, so daß gegenüber dem zylindrischen Abschnitt des Ventilgehäuses 1"
ein Luftringraum 19 entsteht. Hierdurch sind die Kraftlinien genötigt, die Anschlagsflächen
7 und 8 zu durchqueren, wenn das Ventilglied 2'' an der Verschluß platte 9 anliegt
oder in dessen Nähe gelangt. Die Kraftlinien des magnetischen Kreises Q treten somit
in Achsrichtung des Ventils vom Permanentmagneten lo " ' aus, überqueren die Anschlagflächen
7 und 8, verlaufen über die Verschlußplatte 9, dann den zylindrischen Abschnitt
des Gehäuses l'', treten radial über den zwischen Ventilglied und zylindrischem
Abschnitt des Ventilgehäuses 1' gebildeten Führungsspalt in das Ventilglied 2''
über und gelangen von dort wieder zurück zum Permanentmagneten wo"'.
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In den Fig. 7 bis 9 wird anhand von Diagrammen der Gewinn an Beschleunigungsarbeit
zu Bewegungsbeginn, wie er sich durch die Erfindung ergibt, näher beschrieben. Der
Bewegungsbeginn ist immer dann gegeben, wenn das Ventilglied 2 entweder vom Ventilsitz
6 oder von der Verschlußplatte 9 abhebt. Die funktionellen Eigenschaften dieses
Vorgangs sind oben eingehend beschrieben. In den Diagrammen ist jeweils über der
Abszisse der Hub s und über der Ordinate die Kraft F aufgetragen. Bekanntlich entspricht
die durch
die Kraft-Rub Kennlinien eingeschlossene Fläche der verrichteten
Arbeit (Kraft x Weg), die bei der Betätigung des Ventilgliedes 2 aufgebracht wird.
Die Diagramme von Fig. 7 und 8 entsprechen üblichen Ventilen.
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Im Diagramm von Fig. 9 wird die Wirkung des Permanent magneten erläutert.
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In Fig. 7 ist das Kraft-Hub-Verlaufdiagramm für den statischen Zustand
dargestellt. Bei sl ist das Ventil voll geöffnet, bei s2 geschlossen. Die Kennlinie
I entspricht dem Kraft-Hub-Verlauf des Elektromagneten, die Kennlinie II dem der
Schließfeder. Ohne Berücksichtigung der auftretenden Reibungskräfte und sonstiger
Verluste kann davon ausgegangen werden, daß die unter der Kennlinie II und durch
die Linien sl und eingeschlossene Fläche der Schließarbeit durch die Schließfeder
entspricht. Die unter der Kennlinie I und den Linien sol und s2 eingeschlossene
Fläche entspricht hingegen der Arbeit des Elektromagneten, die - um eine Ventilbetätigung
zu erreichen - in'jedem Fall größer sein muß als die der Schließfeder. Als Beschleunigungsarbeit
bleibt somit die zwischen den Kennlinien I und II sowie den Linien sl und s2 eingeschlossene
Fläche. Je größer diese Fläche ist, desto höher kann die Beschleunigung sein und
desto schneller verläuft die Ventilbewegung.
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Im Diagramm von Fig. 8 ist der dynamische Verlauf der Kraft-Hub-Kennlinien
dargestellt, wobei bezüglich der Arbeit das gleiche gilt, was zu dem statischen
Diagramm ausgeführt wurde. Während.die Federkennlinie II unverändert
bleibt,
verändert sich die Kennlinie I des Elektromagneten zu einer Kennlinie IV, deren
Verlauf durch den Aufbau des Magnetfeldes im Elektromagneten bestimmt wird.' Auch
beim Abschalten des Elektromagneten wirkt sich der Abbau-des Magnetfeldes als Zeitverzögerung
aus, so daß eine Kennlinie V-entsteht.
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Wie die zwischen den Kennlinien eingeschlossenen Flächen zeigen, ist
die tatsächliche zur Verfügung stehende Arbeit,die für die Beschleunigung des Ventilgliedes
2 entscheidend ist, gegenüber der statischen Darstellung stark eingeschränkt. So
kann beispielsweise der in Schließrichtung wirkenden Federkraft bis nahezu zum Abschluß
des Schließvorganges eine durch den Abbau des Magnetfeldes verursachte Hemmkraft
entgegenwirken. Dieser Nachteil wirkt sich besonders dann aus, wenn eine sehr exakte
zeitgerechte Steuerung angestrebt ist. Gerade bei der Einspritzung spielt die zeitgerechte
Steuerung eine .besondere Rolle. Sie kann jedoch auch bei elektromagnetisch gesteuerten
Ventilen von entscheidender Bedeutung sein, wie sie beispielsweise in der Pneumatik
verwendet werden die besonders schnell arbeiten müssen.
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Bei dem in Fig. 9 dargestellten Diagramm ist mit der Kennlinie III
der Kraft-Hub-Verlauf der addierten Kräfte von Permanentmagnet und Schließfeder
dargestellt, wie bereits für die Fig. 2 und 4 beschrieben. Durch die Rückhaltekraft
des Permanentmagneten muss sich im Elektromagneten erst das Magnetfeld bis zu einer
bestimmten Größe auf-bzw. abbauen, bevor das Ventilglied 2 vom Ventilsitz bzw. vom
Anschlag abhebt. Dieses Aufbauen an potentieller Arbeit kommt dann nach Abheben
des Ventilgliedes diesem als Beschleunigungsarbeit voll zugute. Diese aufgrund des
Permanentmagneten gewonnene Beschleunigungsarbeit
entspricht beim
Aufsteuern des Ventils der zwischen den Kennlinien I, III und IV eingeschlossenen
Fläche und für den Beginn des Schließvorgangs der zwischen den Kennlinien III, V
und VI eingeschlossenenFläche.
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Wie dem Diagramm entnehmbar ist, handelt es sich um erhebliche Zugewinne
an Beschleunigungsarbeit in der einen sowie in der anderen Richtung.
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In Fig. lo' ist eine denkbare Verwirklichung des in Fig. 5 dargestellten
dritten Ausführungsbeispieles gezeigt, nämlich an einem Kraftstoffeinspritzventil.
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In einem Ventilkörper 21 arbeitet eine Ven£ilnadel 22 und wird durch
einen Elektromagneten 23 angetrieben.
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Durch die Ventilnadel 22 wird ein Durchgang 24 für Kraftstoff gesteuert.
An der Ventilnadel ist eine Dichtfläche 25, die mit einem Ventilsitz 26 zusammenwirkt,
der am Ventilkörper 21 angeordnet ist. Uber Dichtfläche 5 und Ventilsitz 6 wird
der Zugang zu einer Spritzöffnung 27 gesteuert, über die der Kraft stoff entweder
in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine oder in deren Saugrohr eingespritztwird.
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Die einzuspritzende Menge wird durch die Offnungsdauer dieses stromlos
geschlossenen magnetisch betätigten Einspritzventils bestimmt. Der Öffnungshub der
Ventil nadel 22 wird beendet, wenn diese mit einer Schulter 28 auf eine Anschlagplatte
29 stösst.
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In der Ventilnadel 22 ist ein Permanentmagnet 30 vor gesehen, dassen
Magnetkreis über die Ventilnadel 22, den Düsenkörper 21 und nach Durchqueren von
Ventil 26 und Nadeldichtfläche 25 über den unteren Abschnitt der Ventilnadel 22
wieder zurück zum Permanentmagneten 3O verläuft.
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Der Elektromagnet 23 weist einen Anker 31, eine Magnetspule 32, einen
Kern 33 und ein Gehäuse 34 aus magnetischem Material aus. Der elektrische Anschluß
des Elektromagneten 23 erfolgt über einen Stecker 35.
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Die Ventilnadel ist bei 36 fest mit dem Anker 31 verbunden und wird
über eine Schließfeder 37 in Schließrichtung belastet. Zum öffnen des Magnetventiles
muß somit der Elektromagnet 23 die Kraft der Schließfeder 37 sowie die Haltekraft
der Permanentmagneten 3O überwinden.
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Gemäß der oben ausgeführten Wirkungen des Permanentmagneten kann ein
sehr Schnelles öffnen des Ventiles erreicht werden.
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In Fig. 11 ist als fünftes Ausführungsbeispiel ein Magnetventil dargestellt,
bei dem ein Magnetanker 4O als loses Ventilglied zwischen einer Sitzplatte 41 und
einem Permanentmagneten 42 pendelt. Der zugehörige Elektromagnet weist eine Spule
43, einen Kern 44 und ein Gehäuse 45 auf, welches mit der Sitzplatte 41 zur Leitung
des magnetischen Flusses verbunden ist. In der gestrichelt dargestellten Lage des
Ankers 4O ist das Magnetventil geschlossen, d. h. die Dichtfläche 47 des Ankers
4O liegt auf dem Ventilsitz 48 auf. Die dem Kern 44 abgewandte Seite 49 des Ankers
4O weist dabei einen maximalen Abstand zum Permanentmagneten 42-auf. Sobald der
Elektromagnet abgeschaltet wird, wird der Anker 4O entweder durch das Eigengewicht
oder durch den Kraftstoffdruck auf den Permanentmagneten 42 geschoben und von diesem
durch die Permanentmagnetkraft festgehalten. Dieses Magnetventil
ist
stromlos offen - im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen. Der Mediumdurchgang
durch das Ventil erfolgt über einen Zufluß So und Abflüsse 51, welche letztere in
einem Gehäuseteil 52 angeordnet sind, der den Permanentmagneten 42 aufnimmt, und
mit welchem die Sitzplatte 41 an den anderen Gehäuseteil 53 gespannt ist. Gehäuseteil
52 ist aus unmagnetischem Material, während Gehäuseteil 53 zum Elektromagnet gehört
In Fig. 12 ist in einem Kraft-Weg-Diagramm die Beschleu nigungsarbeit dieses Beispiels
festgehalten. Die Kennlinie I entspricht dem Elektromagnet, die Kennlinie VII der
am Anker 4O in öffnungsrichtung angreifenden Flüssigkeit und die Kennlinie VIII
dem Permanentmagneten. Da die Hydraulikkraft F7 in Offnungsrichtung am Anker/Ventilglied
4O angreift, wirkt sie der Elektromagnetkraft entgegen.
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Sie wird dabei durch die Permanentmagnetkraft unterstützt, die bei
geöffnetem Ventil am stärksten ist und dann über dem Hub entsprechend abfällt Bezüglich
der Beschleunigungsarbeit, die durch den Permanentmagneten gewinnbar ist, gilt das
gleiche wie für die anderen Ausführungsbeispiele.
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Die Erfindung ist-natürlich nicht auf die Ausführungsbeispiele eingeschränkt,
sondern kann an allen denkbar geeigneten Ventilen verwirklicht werden; wie hydraulisch
oder pneumatisch angetriebenen Ventilgliedern, auch in Kombination mit Federantrieben
und Elektromagnetantrieben, unabhängig der Schaltlage ob stromlos offen oder geschlossen.
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Maßgebend ist der Gewinn an Beschleunigungsarbeit durch den Permanentmagneten
und dessen positive Wirkung gegen Prellen.
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